『建築物耐風設計規範』橫風向及扭轉向風壓力修訂建議

 

一、  前言

 現行『建築物耐風設計規範及解說』之內容,主要為參考“美國土木工程師協會(American Society of Civil Engineers, ASCE)”,所出版之“房屋及其他結構物之最低設計載重(Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE 7-05)”,第6章 (風載重) 所制訂。然而,其中,第2.10節 (橫風向之風力),及第2.11節 (作用在建築物上之扭矩),係?考日本建築學會(AIJ)之“Recommendation for Loads on Buildings”編訂,而未參考ASCE 7之規定作整套之製訂。

現行規範冒然將日本建築學會未成熟的風力載重建議案,放入國內現行『建築物耐風設計規範及解說』中。其計算方法不但過於繁複,窒礙難行,亦因而造成工程師的困擾,且浪費人力、物力,其設計成果亦浪費國家資源。土木及結構技師公會,曾行文營建署表達反對意見,惟迄未受到重視,造成技師公會至為不滿。

 國內對於大型工業廠房及設備支撐結構等,過去四、五十年間,從未聞有因設計風力不足而發生災害事件,在此種情況下,並無大幅加重風力計算的必要。

橫風向及扭轉向風力對低樓層建築物並不顯著,對低層RC結構更幾無影響,而且現行規範複雜的程度,令人難以理解及忍受,橫風向及扭轉向風力計算,各有約28個符號,電腦都不易打出,且載重組合亦相當複雜,這種規範不像是規範,比較像論文。

ASCE7對橫風向及扭轉向風力,僅取二順風向之折減比例組合,其扭轉向風力亦比照地震力之計算方法,以偏心距乘以順風向風壓力作為設計扭矩。且對低矮層及柔性橫隔板建築物,作了不需考慮扭轉向風力的規定,對工程師可輕易了解其物理意義,不易發生錯誤。

 規範不是越繁越複雜越好,要簡單明暸避免易發生錯誤,及虛耗人力、物力。對規範之研究成果應簡化放入規範中,能為設計者所接受才是好規範。ASCE規範能夠把一個繁複不易理解的力學行為,簡化成具有物理意義的簡單規則,才是有經驗的製作規範的作法。

 筆者參考美國土木工程師協會(American Society of Civil Engineers)所出版之“房屋及其他結構物之最低設計載重(Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures,ASCE STANDARD ASCE/SEI 7-10)  ”之風力載重相關規定提出修訂草案,供工程先進提出改進意見,以便作為修訂參考,敬請不吝指正:

二、   設計風載重之替代法研擬

1.適用範圍

 對於所有高度之建築物主要抗風結構,其設計風載重符合本規範之規定者,得以本篇之計算方法,替代本規範第2.10節至 2.13節,並配合本規範相關規定設計之。

2.設計風力之組合

(1)風載重應考慮下列四種狀況:

  狀況1:全部的設計風壓,分別作用於垂直結構主軸方向之投影面積上。

1046-2-1

平面圖1

狀況2:將設計風壓之75%,分別作用於垂直結構主軸方向之投影面積上,並考慮作用於各主軸方向之扭矩 (如平面圖2所示) 。

1046-2-2

平面圖2

狀況3:將設計風壓之75%,同時作用於垂直結構兩主軸方向之投影面積上(如平面圖3所示)。

1046-2-3

平面圖3

狀況4:將設計風壓之56.3%,同時作用於垂直結構兩主軸方向之投影面積上,並考慮作用於各主軸方向之扭矩 (如平面圖4所示) 。

1046-2-4

平面圖4

註:

【1】建築物迎風面及背風面之設計風壓,應依式(2.1)及式(2.2)計算。

【2】符號說明:

PWX、PWY:分別作用於X、Y主軸方向上之迎風面設計風壓。

PLX、PLY:分別作用於X、Y主軸方向上之背風面設計風壓。

BX:垂直於X方向風壓之建築物寬度。

BY:垂直於Y方向風壓之建築物寬度。

eX:垂直於X方向風壓合力之偏心距。

eY:垂直於Y方向風壓合力之偏心距。

MT:作用於繞建築物鉛直軸之扭矩。

(2)剛性結構之偏心距e,應由建築物之幾何中心起算,且必須分別對每一主軸考慮其偏心距(eX, eY)。

(3)柔性結構之偏心距e應依下式計算,且必須分別對每一主軸考慮其偏心距 (eX, eY):

1046-2-5

(4)各層樓偏心距e值須分別取正、負號計算。

【解說】

風洞研究  (Isyumov 1983, Boggs etal. 2000, Isyumov and Case 2000, and Xie and Irwin 2000)  顯示,扭轉向風載重,係因作用於建築物不同表面之不均勻風壓、鄰近建築物和地形的干擾效應,及柔性建築物的動態反應等所造成。

 當風載重作用於建築物對角方向時,可能發生較嚴重之情況,為了包含這些情況,應同時沿著每一主軸方向作用75%的設計風載重。

狀況2及4所規定之扭轉向風載重,為依15%橫向?度計算偏心距,雖然這與正方形和長寬比達2.5之長方形之建築物之風洞經驗的結果相似,但也還不能涵蓋所有可能情況,即使是對稱或一般形狀建築物,曾觀察到更大之扭轉向風載重。

 對於柔性建築物,動態效應會增加扭轉向風載重。當彈性剪力中心與質量中心偏離時,會產生額外的扭轉向風載重。應注意的是低矮建築物,也可能發生重大之扭轉向風載重。

 風洞程序對於特殊形狀之建築物、長寬比大之建築物、以及動態反應敏感之建築物等,使用風洞程序能更精確決定扭轉向之影響。

3.建築物風力載重得不考慮扭矩之情況

以下三種形態之建築物,或經適當方式證明A2.1節之載重組合狀況2、及狀況4不會控制設計時,僅須考慮風載重狀況1與狀況3:

(1)    樓高不超過9公尺之單層建築物。

(2)    兩層樓以下輕型構架之建築物。

(3)   兩層樓以下採柔性樓板設計之建築物。

三、結語

現行『建築物耐風設計規範及解說』,自從將日本建築學會(AIJ)之“Recommendation for Loads on Buildings”中有關橫風向,及作用在建築物上之扭矩,以及風載重之組合方式等,加入現行耐風設計規範第2.10節 (橫風向之風力),及第2.11節 (作用在建築物上之扭矩),及第2.12(建築物設計風力之組合)等節中後,一直困擾著結構工程設計工程師。該規範研究單位亦自知規範的複雜性,後續亦作了一連串的研究,諸如:耐風設計專家系統程式開發、風設計專家系統、耐風設計規範示範例、耐風設計簡易分析法、耐風設計技術手冊研擬、耐風設計規範應用推廣計畫等等,不勝枚舉。惟迄今仍然無法解決現行『建築物耐風設計規範及解說』過於複雜的問題。

 在忍無可忍的情況下,中華民國結構技師公會,依據“美國土木工程師協會(American Society of Civil Engineers, ASCE)”,所出版之“房屋及其他結構物之最低設計載重(Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE 7-10)”,有關現行耐風設第2.10節 (橫風向之風力),及第2.11節 (作用在建築物上之扭矩),及第2.12(建築物設計風力之組合)等部分擬就附編替方案,業於民國105年11月1日正式行文向內政部營建署提案,要求納入現行耐風設計規範及解說中併行,工程師得取代現行規範自行採用。筆者提出該建議案(本文第二章)供工程先進指正改進,以便作為『建築物耐風設計規範及解說』對橫風向、扭轉向,以及載重組合等,增訂為替代方案之改進參考,亦盼望相關技師公會合作推動此項改革。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】



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